Fig 1. Una presentación esquemática del efecto Hall de giro en Weyl semimetal 1T ’WTe2, que muestra la separación de los electrones de espín polarizados (espín hacia arriba y hacia abajo) en las superficies de una muestra simplemente pasando una corriente de carga. Crédito:Bing Zhao
El descubrimiento de semimetales de Weyl topológicos en 2017 ha revelado oportunidades para realizar varios fenómenos físicos extraordinarios en la física de la materia condensada. Ahora, Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han demostrado la detección eléctrica directa de un gran efecto Hall de giro en este material cuántico topológico. Weyl semimetal aprovecha su fuerte acoplamiento de espín-órbita y nuevos estados electrónicos topológicos de espín polarizados en su estructura de bandas. Estos hallazgos experimentales pueden allanar el camino para la utilización de fenómenos inducidos por la órbita de giro en el desarrollo de la próxima generación de tecnología de la información más rápida y energéticamente eficiente y se han publicado en la revista científica. Investigación de revisión física.
A medida que nuestra sociedad se integra cada vez más con la inteligencia artificial (IA) y el Internet de las cosas (IoT), la demanda de baja potencia, nanoescala y los dispositivos electrónicos de alto rendimiento han ido en aumento. Los dispositivos espintrónicos son prometedores para la próxima generación de tecnología de la información con el fin de reducir el consumo de energía al tiempo que aumentan el rendimiento y las propiedades no volátiles. Recientemente, La conmutación de magnetización inducida por corriente por par de giro en órbita (SOT) que utiliza el efecto Hall de giro básico se identifica como un ingrediente vital para los dispositivos lógicos y de memoria espintrónica no volátil. El mecanismo SOT es especialmente útil, como se puede generar una corriente de giro simplemente pasando una corriente de carga en metales pesados debido al efecto Hall de giro, sin el uso de un campo magnético externo. Sin embargo, Existen varios desafíos relacionados con la velocidad de conmutación limitada y el alto consumo de energía en estos dispositivos.
Un grupo liderado por Saroj Dash, Profesor asociado en el Laboratorio de Física de Dispositivos Cuánticos en Chalmers, dispositivos electrónicos usados hechos de material cuántico topológico novedoso, llamados semimetales de Weyl, que es como una versión tridimensional del grafeno pero tiene una fuerte interacción espín-órbita y una nueva superficie de espín polarizado y estados electrónicos masivos en su estructura de bandas.
"Los semimetales de Weyl tienen estados fermiónicos de Weyl, que se caracterizan por una dispersión lineal de conos de Weyl y estados de superficie del arco de Fermi. Debido a la curvatura monopolo como Berry en el espacio de impulso y la fuerte interacción espín-órbita, Se predice que existe una textura de giro única en los conos de Weyl y los estados de superficie del arco de Fermi en materiales tan novedosos, "dice Saroj Dash.
Los investigadores de Chalmers aprovechan estas propiedades novedosas para detectar eléctricamente una gran conversión de carga a espín. es decir, el efecto Hall de giro, en un candidato semimetal de Weyl WTe 2 a temperatura ambiente.
"La detección de la corriente de giro generada por el efecto Hall de giro en WTe 2 se realizó mediante la fabricación de dispositivos de heteroestructura de van der Waals con grafeno, aprovechando sus estructuras en capas y la larga longitud de coherencia de espín en el grafeno y la transmisión de espín en la interfaz de heteroestructura, "explica el estudiante de doctorado Bing Zhao, supervisado por Saroj Dash en MC2, Chalmers.
Saroj Dash continúa, "Nuestras medidas electrónicas detalladas sensibles al giro, tanto en transporte de espín como en geometrías de precesión de Hanle, sus estudios dependientes del ángulo y la puerta, y los cálculos teóricos manifiestan la existencia del fenómeno Hall de giro grande y sintonizable en la puerta en WTe 2 dispositivos a temperatura ambiente. La demostración de un proceso de conversión de carga a espín eficiente en el semimetal candidato WTe de Weyl 2 a temperatura ambiente puede allanar el camino para su utilización en espintrónica y tecnologías cuánticas ".
Figura 2, parte izquierda:Esquema de un dispositivo medido que muestra la heteroestructura de WTe2 con grafeno (Gr) y un contacto ferromagnético (FM) para la medición del efecto Hall de giro en WTe2. Los recuadros en los esquemas muestran las estructuras de banda del WTe2, grafeno y la estructura en la interfaz. Figura 2, parte derecha:la señal de resistencia eléctrica (Rs) se mide debido al efecto Hall de giro en WTe2. La polarización de espín se puede crear pasando una corriente en WTe2 y la precesión se crea barriendo un campo magnético perpendicular, mientras que los espines inyectados se difunden en el canal de grafeno. Crédito:Bing Zhao
Las ventajas de los semimetales topológicos 1T 'WTe 2 es que tiene multitud de propiedades interesantes, como es un material en capas de van der Waals, un semimetal de Weyl a granel con un comportamiento anómalo quiral (magnetorresistencia negativa), presencia de estados Hall de espín cuántico en monocapas, y una textura de espín novedosa de la superficie y del estado electrónico a granel que proporciona una gran polarización de espín inducida por la corriente.
El grupo Saroj Dash también tiene como objetivo utilizar tales materiales cuánticos topológicos para tecnologías espintrónicas y cuánticas energéticamente eficientes mediante la explotación de su estructura de banda electrónica a través del diseño de curvatura de Berry y sus novedosas topologías de espín.
"Estos desarrollos tienen un gran potencial para realizar electrónica ultrarrápida y de bajo consumo para la próxima generación de memoria, lógica, comunicación, y tecnologías cuánticas, " él dice.
El trabajo de investigación se realiza en una colaboración multinacional entre la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia; Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing, Porcelana; Instituto de Ciencias Weizmann, Israel; y el Instituto Max Planck en Dresde, Alemania.
